儀商訊：水資源作為重要的能源介質在冶金項目中占有重要的位置，  隨著生產規模的不斷擴大，水資源短缺成為冶金企業日益突出的難題。目前要從根本上解決水資源浪費及短缺問題，必須實現水系統的信息化和現代化，建立水系統的信息管理、調度系統，方能完成對鋼鐵企業工業用水的宏觀和微觀上的調度，從而提高企業生產效率和競爭力。

為了加強能源管理、合理利用，濟南鋼鐵集團總公司（以下簡稱濟鋼）投入大量資金建成了能源中心項目，水資源作為重要的能源介質在該項目中占有重要的位置。在該項目中建立了先進的水調度管理監控系統，實現了對全廠的供水管網、新水補水系統、軟水系統供水量、環水系統、一二級用戶使用量、水源井系統、廠區外排水系統等能源管理、計量、調度數據的自動采集、實時監視、管理與調度，及時進行供水系統平衡與調整，提高了企業能源綜合管理水平。

流量計的選型技術要求

濟鋼是一家具有50多年歷史的老廠，由于歷史的原因，水計量儀表配置不足，能源中心的建設要求建立完善的水流量計量系統，結合濟鋼實際情況，為滿足不停水在線安裝的要求，在流量計選型上提出了如下要求：

①具備在線不停水安裝的特點。檢測裝置可實現在線不停產安裝及維護。

②可適合不同水質的檢測要求。濟鋼水系統有新水（地下水）、軟水、純水、環水等不同水質。

③適合不同管道安裝方式的檢測要求。如架空、地表、立管、橫管、地下、掩埋等。

④能滿足多種管道材質的檢測要求。在濟鋼水系統中管道材質有碳鋼、不銹鋼、鑄鐵等多種材質。

⑤能適合多種管道壓力情況的測量。

⑥具有較強的抗電磁、變頻等干擾性能。

⑦結合現代技術要求流量計應為智能儀表，并具有數字通信功能和標準電流（4～20mA）輸出。

針對上述技術要求，經過比較超聲波、電磁、多普勒、渦輪等適合水流量測量的各種流量計的特點，我們選用了TDS-100系列超聲波流量計作為濟鋼能源中心水系統的檢測儀表。該流量計除具有測量范圍廣、測量方式多、安裝方便、測量精度高等一般超聲波流量固有的特點外，還采用了高可靠設計、故障率低，特別適合于大口徑的測量，且具有數字通信功能，適合冶金企業的遠程監視和惡劣的工作環境。

TDS-100超聲波流量計檢測原理

TDS-100流量計由換能器、電子線路、流量顯示及累計部分組成。它是測速式流量計的一種，是基于時差法來測量的檢測儀表[4]，即當超聲波速在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產生微小變化，其傳播時間的變化正比于液體的流速。超聲波流量計檢測原理如下圖所示。

超聲波流量計檢測原理

即時間變化與流速關系符合下面表達式：

式中：θ為聲束與液體流動方向的夾角；M為聲束在液體的直線傳播次數；D為管道內徑；Tup為聲束在正方向上的傳播時間；Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間；ΔT為Tup-Tdown。

傳感器安裝方法

超聲波流量計傳感器按照其在管道上的固定形式可分為外縛式和插入式；從聲波傳輸方式上可分為：V、Z、N和W法[5]。

由于鋼鐵行業一般水管道直徑大于DN50，插入式精度優于外縛式。因此，我們優先選用插入式且較理想的Z法和V法[6]。在安裝調試過程中經常出現的問題與處理方法如表1所示。

從表1中可以看出，造成流量計檢測不穩定的因素很多，較突出的有以下3點：

①選擇的檢測部位直管段不夠；

②檢測介質有脈動流，出現這種情況需要在轉換器部分通過阻尼設定增加相應時間以消除測量值的波動[7]；

③選擇的檢測部位附近裝有泵、閥或其他測量裝置等干擾流動的因素存在。

數據通信

由于TDS-100為智能儀表，具有數字通信功能，因此，在信號采集上我們采用了數字通信技術。采用MOXRTU作為數據采集器，與TDS-100進行通信，開發了流量計檢測數據的串口通信讀取程序，通過高速以太網上傳至能源中心數據庫服務器。

1.1 TDS-100超聲波流量計通信

TDS-100超聲波流量計轉換器部分帶有RS2232接口，通過RS2232/RS2485轉換器轉換成RS2485，數據的傳輸采用應答方式，即采集器發出命令請求，流量計做出相應的回答。基本命令采用數據字符串表示，特點是數據長度隨意，通信數據格式如表2所示。

1.2 數據采集器

由于系統數據各子站比較分散，I/O數據采集量大，我們選用了前面所述的MOXRTU作為采集單元，它綜合了數據采集、遠程設備監控、網絡通信等功能。各子站數據可通過EtherNet與I/OServer連接，將本系統的數據傳遞到能源中心，通過監控站實現對全廠數據的監控。數據采集器編程如圖所示。

數據采集器編程框圖

1.3　數據采集器通信程序

根據TDS-100超聲波流量計特有的通信協議格式，編制了流量計采集通信程序，其流程如圖所示。

通信程序流程圖

監控系統

監控系統平臺采用Citect的工業控制軟件CitectSCADA來實現整個系統的監控。CitectSCADA是一個基于網絡環境開發的工業控制平臺，它具有的網絡連接能力，可以輕易地組織足夠龐大的網絡化監控系統。為了實現全廠數據集中監控的目的，在中央機房安置兩種類型的CitectSCADA軟件。一種是FullVersion，這種CitectSCADA軟件負責和生產現場的子系統進行自己的連接采集生產現場的數據，根據編程的邏輯進行報警、趨勢和報表的處理，同時它也是所有操作員站的數據來源。另外一種是DisplayVersion的CitectSCADA即操作員站所采用的監控軟件，它采用了和FullVersion完全相同的軟件，唯一不同的地方是它只有顯示和操作的功能，其顯示或者操作的數據都是來自于FullVersion的。在本系統中，超聲波流量計大多通過RS2485總線通信方式（個別采用通信方式比較困難的采用4～20mA）。其接入方式如圖所示。

超聲波流量計接入方式圖

總結：

超聲波流量計以其安裝簡便、運行可靠、無壓損以及符合現代要求的數據通信等特點較好地滿足了濟鋼惡劣環境中水流量的計量需求。另外，在數據采集中采用數據通信方式實現對超聲波流量計的采集，實現了數據的無誤差傳輸并且便于集中監視儀表的運行狀態，便于系統的擴充發展，減少了故障點，提高了工作效率。